进展｜大面积高质量氢化石墨烯的构筑及物性研究取得进展

1. 进展｜大面积高质量氢化石墨烯的构筑及物性研究取得进展

 石墨烯的发现以及其具有的独特性质和巨大的应用价值激发了人们对其他二维材料的研究热情。通过外来原子与本征石墨烯中的碳原子化学成键获得石墨烯功能化材料以及构筑新型类石墨烯二维原子晶体是扩充二维材料库重要途径之一。例如，所有碳原子与氢原子双面成键形成全氢化石墨烯结构, 又称为“石墨烷”(graphane)；氢原子和碳原子为1:2的单面氢化石墨烯，文献报道中称为“graphone”。然而，目前在实验上制备大面积高质量的氢化石墨烯的工作仍很稀少，实现材料结构和物性的调控仍很困难。
   最近, 中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧院士研究团队的陈辉、包德亮（共同第一作者）和杜世萱研究员（共同通讯作者）等通过实验与DFT理论计算发现，在Ru(0001)上石墨烯摩尔超晶格模板可以制备晶态三分之一氢化石墨烯，且尺寸很大质量很高。相对于氢化前的石墨烯样品，在石墨烯对应的低能电子衍射（LEED）点阵的√3 × √3/R30°位置出现了新的一套格点(图1)。氢化后石墨烯的拉曼（Raman）光谱中石墨烯晶格的G和2D特征峰恢复，预示着Ru基底与石墨烯之间的界面有氢原子存在并有效地减弱了石墨烯与金属基底的强相互作用（图1）。进一步扫描隧道显微镜（STM）研究发现，氢原子与石墨烯晶格中√3 × √3/R30°位置的碳原子化学成键形成长程有序的双面氢化结构（图2）并延展到整个4mm ×4mm表面。其中碳氢比为三比一，因此称之为三分之一氢化 石墨烯。理论计算发现，三分之一石墨烯能带结构中展现各向异性，即在某一对称性方向上展现具有狄拉克锥的半金属性质，而其他对称性方向上展现具有能隙的半导体性质（图3）。该工作是目前实验报道的最大面积的晶态氢化石墨烯，为制备大面积石墨烯功能化衍生材料以及相关性质应用的研究提供了新的思路。相关研究结果发表在Advanced Materials, 30, 1801838 (2018)上。
   上述研究工作得到了 科技 部（2013CBA01600, 2016YFA0202300, 2016YFA0300904）、国家自然科学基金委（61390501, 61725107, 51572290, 11334006，51761135130）和中国科学院的资助。
    相关链接：https://doi.org/10.1002/adma.201801838 
      图1. 厘米尺寸晶态三分之一氢化石墨烯的制备示意图、LEED、Raman光谱和大面积STM图像。
      图2. 晶态三分之一氢化石墨烯高分辨STM图、结构模型及STM模拟。
      图3. 晶态三分之一氢化石墨烯dI/dV谱及DFT计算的能带结构与态密度图。
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2. 新模型成功预测：石墨烯覆盖下挤压纳米晶体的形状！

在美国能源部埃姆斯实验室和美国东北大学的合作中，科学家们开发了一个模型，用于预测夹在石墨烯等二维或二维以下材料之间的金属纳米晶体或“岛屿”的形状。这一进展使二维量子材料更接近电子领域的应用。
  
 
  
 艾姆斯实验室的科学家是二维材料方面的专家，最近发现了一种铜和石墨的化合物，这种化合物是通过在高温和超高真空环境下将铜沉积在离子轰击的石墨上而产生。这就产生了铜岛的分布，被埋在由几层石墨烯组成的超薄“毯子”下。
  
 
  
 博科园：艾姆斯实验室科学家、爱荷华州立大学(Iowa State University)化学与材料科学与工程杰出教授帕特·泰尔(Pat Thiel)表示：由于这些金属岛可能在电子应用中充当电触点或散热器，它们的形状以及它们如何达到这种形状，是控制这些材料的设计和合成的重要信息。艾姆斯实验室的科学家们使用扫描隧道显微镜艰难地测量了100多个纳米尺度铜岛的形状。这为东北大学机械与工业工程系和艾姆斯实验室的研究人员联合开发理论模型提供了实验基础。
  
 
  
 这个模型很好地解释了数据，唯一的例外是铜岛高度小于10纳米，这将是进一步研究的基础。东北大学博士生斯科特e朱利安(Scott E. Julien)说：我们喜欢看到我们的物理学得到应用，这是一种美妙的应用方式，能够模拟石墨烯覆盖铜岛时的弹性响应，并用它来预测岛屿的形状。研究表明，石墨烯的顶层能够抵抗生长中金属岛施加的上行压力。实际上，石墨烯层向下挤压并压扁了铜岛。考虑到这些影响以及其他关键的能量学，导致了对一种普遍、或与尺寸无关岛屿形状的意外预测，至少对一种给定金属的足够大岛屿是如此。
  
 
  
 研究助理Ann Lii-Rosales说：这一原理也适用于其他金属和其他层状材料，实验上，我们想看看我们是否可以用同样的配方在其他类型层状材料下合成金属，并获得可预测的结果。在《纳米尺度》上发表的论文《压缩纳米晶体:嵌入在层状材料表面下金属团簇的平衡结构》(Nanocrystals: Equilibrium Configuration of Metal Clusters Embedded under The Surface of a layer Material)进一步讨论了这一研究，这项研究是埃姆斯实验室和东北大学合作进行。
  
 
  
 博科园-科学科普｜研究/来自: 埃姆斯实验室
  
 参考期刊文献:《纳米尺度》
  
 DOI: 10.1039/C8NR10549A
  
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